?智能制造發(fā)力芯片產(chǎn)業(yè)

智能制造在整個(gè)半導體行業(yè)中越來(lái)越流行，提高了生產(chǎn)力，提高了質(zhì)量，降低了成本和對環(huán)境的影響。

這些好處是多年來(lái)對機器通信、數據分析和機器人等技術(shù)進(jìn)行戰略投資的結果，以實(shí)現更高水平的自主性。

半導體工廠(chǎng)長(cháng)期以來(lái)一直依賴(lài)運營(yíng)自動(dòng)化來(lái)保持按時(shí)生產(chǎn)并滿(mǎn)足產(chǎn)量和質(zhì)量目標，但自從引入工業(yè) 4.0（又名智能制造）以來(lái)，主要半導體生產(chǎn)商增加了對 IT 基礎設施、數據分析、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、數字化和機器人技術(shù)的投資。

通過(guò)限制人為干預，智能工廠(chǎng)（也稱(chēng)為全自動(dòng)工廠(chǎng)）可以更平穩地運行并以無(wú)中斷的方式響應問(wèn)題。目標是最大限度地延長(cháng)工具正常運行時(shí)間、避免計劃外停機維護以及實(shí)時(shí)批次調度。多年來(lái)，晶圓廠(chǎng)和封裝廠(chǎng)一直在不斷改進(jìn)其運營(yíng)，但隨著(zhù)新技術(shù)（例如物聯(lián)網(wǎng)傳感器、云計算）的出現，他們可以實(shí)現更高水平的自動(dòng)化，并為他們的努力獲得更大的回報。

「在我看來(lái)，這是一段旅程，」PDF Solutions 的 Cimetrix Connectivity Group 總經(jīng)理兼副總裁 Bob Reback 說(shuō)?！冈?20 世紀 80 年代，我們使用機器人進(jìn)行自動(dòng)化物料搬運，并使用計算機連接和控制設備。我們遠程啟動(dòng)和停止設備、收集數據并進(jìn)行非?；镜倪^(guò)程控制。我們把人排除在外，用軟件代替人來(lái)經(jīng)營(yíng)工廠(chǎng)，這就是智能制造。但如果你看看系統的成本和可靠性，它會(huì )變得越來(lái)越好。今天，每個(gè)人都在做某種程度的智能制造。問(wèn)題是，「您如何實(shí)現更智能的制造？」 答案是，『持續改進(jìn)』?！?/p>

智能制造的定義也發(fā)生了變化?！高^(guò)去的工廠(chǎng)自動(dòng)化將所有重復的制造過(guò)程自動(dòng)化，包括物料運輸和設備自動(dòng)化。今天，晶圓廠(chǎng)的智能制造指的是物聯(lián)網(wǎng)、數據驅動(dòng)和人工智能驅動(dòng)技術(shù)的協(xié)同作用，以?xún)?yōu)化運營(yíng)績(jì)效，」聯(lián)華電子智能制造副總監 James Lin 說(shuō)?！?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/晶圓廠(chǎng)">晶圓廠(chǎng)面臨著(zhù)越來(lái)越困難和復雜的制造挑戰。通過(guò)引入智能制造項目，他們可以實(shí)現流程優(yōu)化、柔性生產(chǎn)、縮短交貨時(shí)間、人力質(zhì)量和提高效率的目標?！?/p>

智能制造項目將越來(lái)越多地實(shí)施，工廠(chǎng)工人的職責將隨著(zhù)這些實(shí)施而轉移。

「全自動(dòng)化工廠(chǎng)的好處包括提高效率、生產(chǎn)力和準確性，以及降低錯誤率。然而，實(shí)施智能工廠(chǎng)需要對自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行大量投資，并且可能并非對所有制造過(guò)程都可行，」Amkor Technology 智能工廠(chǎng)工程副總裁 Won Lee 說(shuō)?！复送?，需要注意的是，完全自動(dòng)化的工廠(chǎng)并不一定意味著(zhù)沒(méi)有人工參與制造過(guò)程。雖然生產(chǎn)車(chē)間可能沒(méi)有工人，但可能仍有人工操作員監督控制系統和設備維護，以及執行其他功能，如質(zhì)量控制和庫存管理?！?/p>

事實(shí)上，工業(yè) 5.0 強調以人為本的實(shí)施。

「『智能工廠(chǎng)』傳統上意味著(zhù)人類(lèi)活動(dòng)最少的工廠(chǎng)，它可以在黑暗中運作。然而，這不是一個(gè)現實(shí)的目標，『全自動(dòng)工廠(chǎng)』的更可實(shí)現的定義是一種可以在一段時(shí)間內無(wú)需干預地運行的設施，」SEMI 智能制造計劃高級總監 Mark da Silva 說(shuō)?！冈絹?lái)越多的人認為有必要讓一個(gè)人參與其中。超越工業(yè) 4.0 的工業(yè) 5.0 將工人視為可持續發(fā)展、以人為本的行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的中心?！?/p>

自動(dòng)化戰略和技術(shù)

正如幾位行業(yè)專(zhuān)家指出的那樣，完全自主的工廠(chǎng)運營(yíng)需要投資以支持 IT 基礎設施、數據分析和自動(dòng)化。它還需要一個(gè)框架來(lái)評估目標和需求，例如 SEMI 的工業(yè) 4.0 準備評估模型。

Amkor 的 Lee 將其公司的戰略總結為三個(gè)步驟：

• 數據采集：實(shí)現跨業(yè)務(wù)、供應鏈和世界的不同有用數據集的管理和采集。物聯(lián)網(wǎng)允許連接的機器將數據收集到系統中。

• 數據分析：使用高級分析和現代數據管理解決方案來(lái)理解機器學(xué)習和智能業(yè)務(wù)系統收集的所有不同數據。

• 智能工廠(chǎng)自動(dòng)化：一旦數據采集和分析發(fā)生，工作流就建立起來(lái)，指令被發(fā)送到系統內的機器和設備。

隨著(zhù)這些技術(shù)的實(shí)施以支持智能制造計劃，可以根據自動(dòng)化的成就水平來(lái)衡量進(jìn)展。

「目前，聯(lián)華電子專(zhuān)注于數字化轉型中的制造模型優(yōu)化和再造。2022 年，SEMI GEC（全球執行委員會(huì )）智能制造倡議提出了自主智能工廠(chǎng)的金字塔模型，」林指出?！富谶@個(gè)模型，我們現在處于智能 2.0 階段，我們正在利用跨多點(diǎn)系統和數字孿生的各種數據，并利用 AI/ML 自動(dòng)生成洞察力，例如質(zhì)量改進(jìn)、資產(chǎn)利用率、人力效率、節能，整合供應鏈?！?/p>

圖 1：SEMI 的智能制造愿景金字塔最初由 Inficon 創(chuàng )建并由智能制造 GEC 改編。來(lái)源：SEMI

晶圓廠(chǎng)自動(dòng)化需要將機器連接到數據和控制系統，這長(cháng)期以來(lái)推動(dòng)了供應商支持的半導體設備通信標準。這些由 SEMI 管理的標準繼續為智能制造提供基礎，包括以下內容：

• SECS/GEM 定義了設備和工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )之間的通信。

• GEM300 可實(shí)現更高程度的自動(dòng)化。

• 設備數據采集改進(jìn)了工廠(chǎng)數據收集軟件應用程序與工廠(chǎng)設備之間的通信。
  

裝配和測試設施還需要標準化設備軟件和自動(dòng)化系統之間的集成。但從歷史上看，OSAT 并未使用這些標準。由于設施中的設備、產(chǎn)品和附屬品多種多樣，業(yè)務(wù)運營(yíng)稍微復雜一些。最近，一些 OSAT 已經(jīng)齊心協(xié)力將系統轉換并將設備數據與 SECS 標準連接起來(lái)，以提供實(shí)施工業(yè) 4.0 方法的技術(shù)框架。

還需要在工具級別進(jìn)行更改?！赣袔讉€(gè)系統需要轉換。生產(chǎn)和檢驗流程應標準化，以促進(jìn)自動(dòng)化實(shí)施。設備應該更加智能，并且能夠通過(guò)內置的人工智能功能自行識別有關(guān)生產(chǎn)材料的信息，」Amkor Technology IT 部門(mén)副總裁 Joon Ahn 指出?！窫RP/MES/CIM 等遺留系統應該能夠與新的現場(chǎng)系統實(shí)時(shí)通信并處理更多數據。此外，模擬或預測系統應該結合機器學(xué)習算法來(lái)更具體地反映現實(shí)?！?/p>

例如，為了解決設備連接性不足的問(wèn)題，ASE Group 要求所有新生產(chǎn)設備都符合 SECS 標準。對于現有設備，他們的自動(dòng)化團隊開(kāi)發(fā)了實(shí)現自動(dòng)連接以及將數據輸出轉換為兼容的 SECS 格式的功能。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，日月光的生產(chǎn)設備現已達到 SECS 標準。

工程團隊依賴(lài)的另一項技術(shù)是數據分析。自動(dòng)化和數據分析有助于從被動(dòng)預測行動(dòng)轉變?yōu)榭深A測行動(dòng)，工程團隊可以選擇響應中的自動(dòng)化級別。此外，對所有可用數據的多變量分析使人們更加關(guān)注設備故障問(wèn)題的可能根本原因。

「對于想要擺脫被動(dòng)分析的客戶(hù)，我們提供了兩條途徑，」Tignis 營(yíng)銷(xiāo)副總裁 David Park 說(shuō)?！肝覀兲峁╊A測性和規范性分析解決方案，它們可以獨立完成，也可以一起完成。在反應模式下，客戶(hù)主要試圖確定發(fā)生了什么以及為什么會(huì )發(fā)生。然后，根據他們的數據生成時(shí)間，他們可能會(huì )在事件發(fā)生后數小時(shí)、數天甚至數周內執行此操作。預測分析的主要目標是確定是否很快會(huì )發(fā)生不好的事情，使晶圓廠(chǎng)能夠采取主動(dòng)行動(dòng)。所以在最簡(jiǎn)單的層面上，這提供了一個(gè)完全自動(dòng)化的預警系統。不需要人工，客戶(hù)可以決定在出現警告時(shí)他們想做什么?！?/p>

這可以通過(guò)規范分析更進(jìn)一步?！竷H僅因為你可以監控制造過(guò)程的所有輸入和環(huán)境變量以尋找強烈代表某些事情失控的信號，并不意味著(zhù)同一個(gè)系統可以告訴你警告的根本原因，」Park 說(shuō) 「預測分析提供了單變量、雙變量和三變量根本原因的最小列表。這使客戶(hù)能夠更快地大海撈針，因為它可以立即向他們顯示最可能的警報原因。同樣，循環(huán)中沒(méi)有人，也不需要人，因為這提供了可操作的信息?！?/p>

實(shí)施成功與挑戰

隨著(zhù)半導體公司、晶圓廠(chǎng)和 OSAT 實(shí)施工業(yè) 4.0，工程團隊獲得了效率和成本效益，衡量標準是處理錯誤的減少、從反應性行動(dòng)到預測性行動(dòng)的轉變、改進(jìn)的可追溯性、產(chǎn)量和質(zhì)量，并加速識別生產(chǎn)問(wèn)題。

「我們的項目包括工業(yè)人工智能（IAI）項目、IT 基礎設施、智能供應鏈、物理和信息安全保護，以及半導體上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)的整合，共同打造智能制造生態(tài)系統——實(shí)現最高效地利用人力、設備、材料和方法，」UMC 的 Lin 說(shuō)。展望未來(lái)，他指出，「我們已經(jīng)圍繞三大方向——全公司 AIoT 解決方案、智能大數據分析和多種人工智能技術(shù)的融合——實(shí)施了『以人為本』的智能制造平臺和系統。實(shí)現自主智能工廠(chǎng)不僅可以讓聯(lián)電在質(zhì)量和效率方面更具競爭力，還可以讓我們減少浪費和生產(chǎn)活動(dòng)對環(huán)境的影響?！?/p>

圖 2：支持「以人為本」的智能制造解決方案的技術(shù)。來(lái)源：聯(lián)電

自實(shí)施工業(yè) 4.0 計劃以來(lái)，Amkor 觀(guān)察到工藝工程師的工作效率提高了 60%，這歸功于使用更多的數據分析和實(shí)施故障檢測和分類(lèi) (FDC)。這些技術(shù)可實(shí)現實(shí)時(shí)質(zhì)量控制，從而支持實(shí)現汽車(chē)產(chǎn)品的零缺陷。

轉換為全自動(dòng)設施需要規劃和承諾。一旦啟動(dòng)，它很快就會(huì )變成多個(gè)設施的轉換。

2015 年，ASE Group 開(kāi)始投資技術(shù)以轉換為智能操作。為了確定所需的技術(shù)和員工培訓，它成立了一個(gè)委員會(huì )，由其信息管理中心和每個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)（例如，引線(xiàn)框架、球柵陣列、倒裝芯片等）的自動(dòng)化團隊組成。到 2021 年，公司擁有 25 家智能工廠(chǎng)，培訓自動(dòng)化工程師 600 余人。

挑戰

然而，通往成功的道路并非一帆風(fēng)順。數據使用和完整性、實(shí)現數字線(xiàn)程、通信兼容性以及一些工廠(chǎng)操作的獨特性都被引用了。

「最大的挑戰是干凈、準確和一致的數據，」Tignis 的 Park 說(shuō)?！笡](méi)有它，你就會(huì )遇到垃圾進(jìn)/垃圾出的情況?？蛻?hù)需要擁有可靠的數據基礎架構才能充分利用 AI/ML?！?/p>

此外，訪(fǎng)問(wèn)數據的機器通信協(xié)議與傳感器數據測量中的噪聲之間的兼容性也存在挑戰。

「由于機器之間使用各種通信協(xié)議，確保兼容性并不容易，」Amkor 的 Lee 說(shuō)。此外，物聯(lián)網(wǎng)數據通常需要努力收集和分析為大數據，并且傳感器數據中存在大量噪聲需要有效過(guò)濾。為了克服這些挑戰，我們正在創(chuàng )建標準通信協(xié)議或創(chuàng )建不同模型之間的接口程序，引入云數據庫以確保平滑的可擴展性，并使用人工智能技術(shù)自動(dòng)過(guò)濾掉噪聲數據。

為了讓工程團隊有效地繼續增加智能制造方法，他們需要有目的地設計他們的系統。

「智能制造專(zhuān)注于使用數據、網(wǎng)絡(luò )、機器學(xué)習和數字系統提高生產(chǎn)力，這遠遠超出了『簡(jiǎn)單的』自動(dòng)化流程或使用在線(xiàn)制造數據進(jìn)行流程控制的范圍，」服務(wù)產(chǎn)品總經(jīng)理 Russell Dover 說(shuō)?！杆枰粋€(gè)整體的數字愿景來(lái)在整個(gè)運營(yíng)過(guò)程中創(chuàng )建一個(gè)「數字主線(xiàn)」。數字主線(xiàn)是從產(chǎn)品的設計到制造、銷(xiāo)售、支持，甚至生命周期結束都使用一致的數字方法的構造?！?/p>

由于使用的生產(chǎn)輔助材料的多樣性，組裝過(guò)程提出了挑戰?！冈诮M裝過(guò)程中，包含材料的載體形式會(huì )隨著(zhù)過(guò)程的進(jìn)行而不斷變化，」Amkor 的 Lee 說(shuō)?！敢虼?，需要考慮更多的變量和定制自動(dòng)化，而不是晶圓廠(chǎng)所必需的?！?/p>

結論

Fab 和 OSAT 運營(yíng)商在 IoT 設備和網(wǎng)絡(luò )、機器人技術(shù)、ML/AI 軟件、云計算和大數據分析方面進(jìn)行了大量投資。通過(guò)這樣做，他們實(shí)現了完全自動(dòng)化、無(wú)人值守的工廠(chǎng)，并且正在從中獲益。

「對越來(lái)越快的學(xué)習周期和更低的成本的需求，使得工業(yè) 4.0 對半導體制造充滿(mǎn)希望，」Lam 的 Dover 說(shuō)?！冈诖髷祿?、人工智能和傳感器技術(shù)的支持下，智能制造技術(shù)可以將工藝工具生成的數據轉化為芯片制造商的有形價(jià)值，包括提高產(chǎn)量、減少停機時(shí)間和降低晶圓成本?！?/p>

多個(gè)半導體行業(yè)正在加緊對智能制造方法的投資。

「我們正在幫助設備制造商和工廠(chǎng)在半導體、先進(jìn)封裝設施、光伏太陽(yáng)能電池板和電子工廠(chǎng)中實(shí)現智能制造?！筆DF Solutions 的 Reback 說(shuō)?！肝覀冃枰B接到工廠(chǎng)車(chē)間的東西，自動(dòng)收集數據，一旦我們有了好的數據——然后我們就可以考慮應用分析?！?/p>

Reback 指出，客戶(hù)越來(lái)越有興趣將其中一些數據放在云端并使用新的分析方法?！缸畲蟮牟煌谟?，如今，隨著(zhù)對人工智能和機器學(xué)習的所有投資，我們可用于收集和分析數據的技術(shù)和工具遠遠優(yōu)于我們過(guò)去擁有的技術(shù)和工具。我們看到整個(gè)生態(tài)系統中的人們都對開(kāi)展項目以擴大我們可以實(shí)現的目標感興趣?！?/p>